Upload
ngoliem
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Hogyan lesz fúziós erőművünk
2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató
2016. március 13.
Dr. Pokol Gergő
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,
Természettudományi Kar, Nukleáris Technikai Intézet
2
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
A fúziós reaktorok fizikájáról dióhéjban
A fúziós reaktorok technológiája
Hol tartunk ma?
Fúziós útiterv
3
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Fúziós alapok
maghasadás
4
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Fúziós reaktor üzemanyagciklusa
D + T → 4He(3.52 MeV) + n(14.1 MeV)
D + D → 3He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV)
D + D → T(1.01 MeV) + p(3.02 MeV)
D + 3He → 4He(3.66 MeV) + p(14.6 MeV)
A fúziós reakcióban nem
keletkeznek radioaktív izotópok!
~100 millió °C
plazma!
5
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Lehet-e gyorsítóval energiát termelni?
Ha a céltárgy termikus egyensúlyba kerül a nyalábbal, akkor az
ütközések során az átlagos energiacsere nulla.
Fúziós energiát termelni csak termikus közegben lehet!
Nem, mert a fúziós reakciók valószínűsége sok nagyságrenddel
kisebb a rugalmas szórásénál.
6
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
A fúziós reaktor energiasokszorozását
a Q tényezővel szokás jellemezni:
Fúziós reaktor energiamérlege
h
f
P
PQ
ahol Ph a külső plazmafűtés
teljesítménye, Pf a felszabaduló
fúziós teljesítmény.
Q=0.64
Q=0.2
Fúzi
ós
telj
esít
mén
y (
MW
)
Idő (s)
7
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
A fúziós reakcióban felszabaduló energia jelentős részét (~20%) az
a-részecskék viszik el. Ha ezeket a plazma többi töltött részecskéjével
együtt össze tudjuk tartani, akkor az a-részecske fűtés meghaladhatja
a veszteségeket.
Amikor ez bekövetkezik, akkor a plazma begyújt. Az égési pontban
a plazma stabil állapotban marad, amíg a gázösszetételt és más
körülményeket fenn tudjuk tartani.
Fúziós plazma energiamérlege
Mivel ekkor nem kell
külső plazmafűtés,
ezért Q=∞.
Lawson-kritérium:
320 /10 msn e keVTi 25
8
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Fúziós plazma összetartásának módjai
A Lawson kritérium két lehetséges, szélsőséges esetet kínál:
•Mágneses összetartás (Magnetic confinement).
A plazmát mágneses térrel tartjuk össze. A sűrűséget az
alkalmazott mágneses tér szabja meg, az energiatermeléshez
egy kritikus energiaösszetartási időt kell elérni alacsony
sűrűség mellett.
•Tehetetlenségi összetartás
(Inertial confinement, ICF).
A plazma szabadon tágul,
a Lawson kritérium
teljesüléséhez egy kritikus
sűrűséget kell elérni,
rövid ideig.
(NIF, https://lasers.llnl.gov/)
Forró, híg plazmában (ionok + elektronok) a részecskék szabad
úthossza nagy (gyakorlatilag ütközésmentes rendszerről van
szó). Tekintsük szabad, töltött részecskék mozgását!
Lorentz-erő: töltött részecske mozgására és a mágneses térre
merőleges erő.
Spirál pálya a mágneses erővonal mentén.
9
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Mágneses összetartás
10
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Ha a mágneses tér megnő a berendezés végein, úgynevezett
mágneses palackot kapunk, amiben a részecskék az
összesűrűsödő erővonalak tartományáról visszaverődnek.
A közel mágneses térrel párhuzamosan mozgó részecskékre
nincs hatással
veszteségek a végeken+ stabilitási problémák.
Mágneses összetartás, lineáris geometria
11
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Mágneses összetartás, toroidális geometria
A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a
végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú
plazmagyűrűt kapunk. Driftek!
12
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Mágneses összetartás berendezéstípusai
(1) vákuumkamra, (2) mágneses tekercsek, (3) plazma,
(4) plazmaáram, (5) mágneses erővonal, (6) mágneses tengely,
(7) radiális irány, (8) toroidális irány, (9) poloidális irány
TokamakSztellarátor
Toroidális plazmaáram Helikális tekercsek
13
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
14
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
15
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
16
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
17
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
18
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Transzport mágnesesen összetartott fúziós plazmákban
(véges összetartás)
Bár a részecskék közötti ütközések ritkák (a szabad úthossz 10-
100 m), mégsem elhanyagolhatók.
•Klasszikus transzport. Véletlen
lépések, a lépés nagysága a Larmor-
sugár.
•Neoklasszikus transzport = klasszikus
transzport+toroidális geometria
•Anomális transzport
Plazma turbulencia
19
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Plazma turbulencia
https://fusion.gat.com/theory/Gyro
20
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Kontrollált plazma-fal kölcsönhatás: divertor
Tipikus hőterhelés 1-100 MW/m2
Plazmahatároló elemek
A plazma szélére kijutó részecskék bombázzák a falat amelynekanyaga szennyezi a plazmát.
21
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Limiter és divertor a JET tokamakban
22
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Áram (tokamak): Transzformátor tekerccsel (csak impulzus <10 sec)
Mikrohullámú áramhajtás (1 GHz-100 GHz, 1MW)
Fűtés:
Plazmaárammal (kevés a fúzióhoz)
Semleges részecske belövés (NBI)
Ion-ciklotron frekvencia (30 MHz)
Elektron-ciklotron frekvencia (100GHz)
Anyagutánpótlás:gázbeeresztés, NBI
pelletek
Mikrohullámú
(alsó hibrid)
antenna
Fúziós technológiák: fűtés, áramhajtás
Teljesítmények:0.5-10 MW/blokk
< 40 MW/berendezés
23
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Mérőrendszerek, diagnosztikák
24
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
25
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Út a fúziós energiatermeléshez (hivatalos időterv)
2014 205020302020
Vége
26
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Európai fúziós kutatások
ITER tokamak
Cadarache, Franciaország
Építi EU (F4E), USA, Oroszo.,
Kína, Dél-Korea, India, Japán
Célja 10-szeres energiasokszorozás,
reaktor technológiák tesztelése
Fúziós útiterv
Európai (EURATOM) program
Célja 2050 előtt hálózatra
elektromos áramot termelni DEMO
reaktorral
Célzott kutatási projektek
27
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor) az út
Cadarache-ban épül Franciaországban.
Első plazma 2020-ban (tavalyi adat)
2025-ben (idei adat?!)
50 MWth
500 MWth
átlag francia mérnök
Cél:
Q≥10
28
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Fúziós útiterv (2012 vége)
Küldetések:
1. Plazma üzemállapotok
2. Hőelvezető rendszerek
3. Neutronsugárzásnak ellenálló
anyagok
4. Trícium önellátás
5. Inherens biztonság
6. DEMO tervezése
7. Költséghatékony technológiák
8. Sztellarátorok
Cél: pár 100 MW fúziós energia hálózatra termelése 2050 előtt
29
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
1. Plazma üzemállapotok
Cél:
• Reaktor-kompatibilis plazma
üzemállapotok kifejlesztése
• Állandósult állapotú tokamak üzemmód
(DEMO: több órás kisülések)
Eszközök:
• ITER egyik fő feladata
• JET: impulzus üzemmód
• JT-60SA: állandó üzemmód
• Kis és közepes méretű tokamakok
(ASDEX Upgrade): teljes volfrám fal
• Instabilitások, diszrupciók, elfutó
elektronok
30
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
8. Sztellarátorok
Cél:
• HELIAS sztellarátor technológia fejlesztése.
Eszközök:
• W7-X (Greifswald) kihasználása
(2015-ben indult!)
• W7-X eredményektől függ a jövő
• DEMO nem lesz sztellarátor,
de később lehet sztellarátor erőmű
• Heliotron fejlesztések Japánnal
• Kompakt sztellarátor
fejlesztések USA-val
31
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Összefoglalás
A magfúzióból óriási energia szabadítható fel.
Deutérium korlátlanul rendelkezésre áll, de a tríciumot lítiumból kell
megtermelni a reaktor köpenyében.
A reakció végterméke stabil izotóp, nem radioaktív (4He).
Lehet tehetetlenségi és mágneses összetartás.
A mágneses összetartás tórusz alakú tokamakban vagy
sztellarátorban történhet.
A fúziós energiatermelést demonstrálták (JET, 1997).
Az energiasokszorozás demonstrálására épül az ITER (~2025).
Elektromos hálózatra termelő erőmű lesz a DEMO (~2050).
A gazdaságosság nagyrészt a magashőmérsékletű szupravezető- és
az anyagtechnológia fejlődésén múlik.
32
Pokol Gergő (BME TTK): Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?
59. Országos Fizikatanári Ankét és Eszközbemutató, 2016. március 13.
Ajánlott irodalomFúziós útiterv:
http://www.efda.org/wpcms/wp-content/uploads/2013/01/JG12.356-web.pdf
Magyar EURATOM Fúziós Szövetség honlapja: http://magfuzio.hu
ITER: http://www.iter.org/
ITER Newsline: http://www.iter.org/newsline
F4E: http://fusionforenergy.europa.eu/
EFDA: http://www.efda.org
Kapcsolat
BME NTI: Pokol Gergő, [email protected], www.reak.bme.hu/pokol